Explication : pourquoi les flèches bouclées sont-elles utilisées en chimie organique ?

Cela fait 100 ans que les flèches bouclées, également appelées courbes, sont apparues pour la première fois dans la littérature scientifique. Depuis lors, ils se sont fait des amis et des ennemis, et sont passés d’une nouveauté à un incontournable de la chimie organique. Alors que pendant très longtemps, les flèches n’étaient rien de plus qu’un raccourci sans fondement dans la réalité, des preuves ont commencé à apparaître que le mouvement des électrons représenté par les flèches a une base réelle et réelle en mécanique quantique.

Aujourd’hui, les chimistes chevronnés poussent encore des flèches autour des structures sans trop réfléchir. L’idée est qu’elle permet la créativité dans la rationalisation des mécanismes et des réactions. Mais les manuels étant toujours en désaccord sur la meilleure façon de dessiner des flèches bouclées, ils restent l’un des concepts avec lesquels les étudiants en chimie ont souvent du mal.

Que sont les flèches bouclées ?

Ils sont un raccourci pour rationaliser ce qui se passe pendant une réaction. Principalement utilisés en chimie organique, ils illustrent quelles liaisons sont rompues et formées, ou comment les charges sont réparties autour des molécules par résonance.

Peut-être de manière contre-intuitive, les flèches n’illustrent pas le mouvement des atomes individuels mais plutôt le mouvement de la densité électronique – ce qui implique indirectement la façon dont les atomes se déplacent. La queue de la flèche se trouve à la source de la densité électronique (comme une liaison ou un électron radical) tandis que la pointe de la flèche pointe vers l’endroit où cette densité se déplace. Les flèches à double barbe sont les plus courantes car elles désignent des paires d’électrons telles que des liaisons σ ou π ou des paires isolées. Les trajectoires des électrons simples, par exemple dans les radicaux, sont représentées par des flèches à simple barbe.

Qui a proposé le concept et pourquoi ?

Les premiers articles scientifiques contenant des flèches bouclées ont été publiés en 1922 – un par Robert Robinson et William Kermack, et un autre par Arthur Lapworth. Les deux ont utilisé des flèches pour illustrer pourquoi les réactions donnaient certains produits plutôt que des permutations aléatoires des atomes constitutifs des substrats.

Dans les années 1920, la chimie organique en est encore à ses balbutiements. Les chercheurs commençaient tout juste à comprendre les formes moléculaires, les doubles liaisons et les mécanismes. Robinson et Kermack travaillaient sur le sujet brûlant de leur époque : les aromatiques et les polyènes. Ils voulaient répondre à la question pourquoi le butadiène, lorsqu’il est mélangé avec du brome, ne produit que des produits 1,2- et 1,4-dibromo plutôt qu’un mélange de tous les régioisomères possibles. La façon dont les électrons sautent entre les atomes de carbone adjacents dicte ceux qui se connecteront aux atomes de brome. Le duo a illustré cette idée en dessinant des flèches bouclées d’une manière étonnamment proche de la façon dont les chimistes les utilisent encore aujourd’hui.

L’ami de Robinson, Lapworth, a emprunté une voie légèrement différente. Il développait son concept de polarités alternées induites pour expliquer pourquoi le cyanure plus les cétones font des cyanohydrines. Il avait reconnu que le cyanure chargé négativement attaque l’atome de carbone du carbonyle parce que son oxygène voisin lui donne une polarité positive. Les carbones à côté du carbone carbonyle seraient alors négatifs et le prochain hydrogène positif – une chaîne alternée de polarités. Dans son article, Lapworth utilisait des flèches pour contourner les soi-disant valences partielles, dont les liaisons covalentes étaient supposées en avoir trois. Mais les valences partielles sont finalement passées de mode, tout comme les flèches bouclées de Lapworth.

Comment les flèches bouclées sont-elles devenues si populaires ?

Ni l’article de Robinson et Kermack ni celui de Lapworth ne mentionnent la flèche en tant que concept en soi. Les flèches sont presque un aparté au point principal de comprendre comment se produit le changement chimique, qui était le sujet brûlant des années 1920. Il a en fait été si âprement débattu que la Society of Chemical Industry du Royaume-Uni a refusé de publier plus de correspondance sur le sujet pendant un certain temps.

Mais au cours des années suivantes, les flèches bouclées et la poussée d’électrons ont conquis de nombreux chimistes, dont le grand rival de Robinson, Christopher Ingold. Tous deux étaient des ennemis de longue date, car tous deux revendiquaient la reconnaissance pour avoir jeté les bases de la pensée mécaniste.

Au milieu des années 1920, Ingold a commencé à utiliser des flèches bouclées pour expliquer les effets de résonance, les réactions de substitution et d’élimination. Il n’a pas crédité le travail de Robinson et Kermack – un fait dont Robinson est resté amer pour le reste de sa vie. En 1931, Ingold publie une étude sur les groupes directeurs dans la nitration aromatique, en collaboration avec Lapworth. Le papier ne contient pas de flèches bouclées.

Comment les flèches bouclées ont-elles évolué au cours du siècle dernier ?

Il y avait un peu de confusion au début quant à savoir si les flèches représentaient un mouvement d’électrons simples ou appariés. Mais en 1926, Robinson utilisait des flèches bouclées d’une manière qui serait très reconnaissable pour les chimistes d’aujourd’hui. Mais pendant les prochaines décennies, l’utilisation de flèches pour expliquer les mécanismes de réaction resterait du domaine des articles spécialisés rédigés par des experts. Cela a commencé à changer dans les années 1960 lorsque les flèches bouclées ont fait leur chemin dans les manuels. Au départ, ils étaient souvent utilisés de manière incorrecte ou avec beaucoup d’hésitation, un livre déclarant que les flèches dans une substitution nucléophile « n’impliquent rien sur le mécanisme détaillé, qui peut être très complexe ».

La notation générale des flèches bouclées est restée relativement inchangée au cours du siècle dernier : placez la queue de la flèche sur la source de densité électronique et la tête pointant vers où elle va. Mais c’est souvent là que s’arrêtent les similitudes. Parce qu’il n’y a pas de règles Iupac pour les flèches bouclées, presque chaque chimiste a une approche légèrement différente pour dessiner des flèches bouclées. Même les manuels de premier cycle ne sont pas d’accord sur la meilleure façon de dessiner des flèches. Pouvez-vous faire pendre une pointe de flèche dans un espace vide ? Ou que diriez-vous de localiser la queue de la flèche sur un atome plutôt que sur une liaison ?

Il n’est pas surprenant que de nombreux étudiants en chimie trouvent les flèches déroutantes et illogiques. Les flèches bouclées devraient être un outil qui permet aux chimistes d’aborder de manière créative des réactions inconnues. Mais les étudiants les trouvent souvent si impénétrables qu’ils sentent qu’ils n’ont d’autre choix que de les mémoriser.

Existe-t-il des alternatives à la flèche bouclée?

Pas vraiment. Il existe cependant des moyens de dessiner des flèches bouclées qui suppriment les ambiguïtés. Il a été démontré que ces alternatives les rendent plus utiles pour ceux qui découvrent le concept.

L’un des gros défauts des flèches bouclées traditionnelles, quelle que soit la manière dont elles sont dessinées, est qu’elles ne disent rien sur la régiosélectivité – la préférence pour un arrangement par rapport à un autre après la formation ou la rupture d’une liaison. Par exemple, l’addition de bromure d’hydrogène au propène suit la règle de Markovnikov, donnant l’intermédiaire de carbocation (secondaire) le plus stable et produisant ainsi du 2-bromopropane. Pour les chimistes expérimentés, la régiochimie est impliquée par les flèches – mais pas pour les débutants.

En 2009, Suzanne Ruder et ses collègues de la Virginia Commonwealth University, aux États-Unis, ont proposé les flèches rebondissantes qui résolvent ce problème. Comme les flèches conventionnelles, leur queue se trouve au site de la densité électronique, comme une liaison. Mais avec une courbe supplémentaire, la flèche «rebondit» sur l’atome sur lequel la nouvelle liaison est formée avant de se diriger vers sa destination. Ceci, suggère Ruder, est particulièrement utile pour décrire la régiochimie dans les additions électrophiles, les substitutions aromatiques électrophiles et les réarrangements de carbocation.

Une autre approche est la flèche bouclée spécifique au site, un développement décrit en 2015 par l’équipe de Richard Vaughan Williams de l’Université de l’Idaho, aux États-Unis. Williams attribue cette façon de dessiner des flèches à Robert Woodward, qui a défendu les flèches bouclées de toutes sortes après avoir commencé à les utiliser dans les années 1940. Ici, la flèche traverse l’atome avec lequel la nouvelle liaison est formée. Il a été démontré que cela fonctionne dans des réactions telles que les substitutions nucléophiles, les substitutions aromatiques électrophiles, les cyclisations, les réarrangements et les réactions de Grignard.

Les flèches bouclées sont-elles réelles ?

Type de. Pendant très longtemps, ils n’étaient rien de plus qu’un raccourci mental sans fondement sur ce qui se passe réellement lors d’une réaction. Mais plus récemment, des preuves ont commencé à apparaître qu’il existe un lien direct entre la chimie quantique et le mouvement des électrons, tel que décrit par les flèches.

En 2015, Gerald Knizia et ses collègues de la Penn State University, aux États-Unis, ont découvert que les modifications des orbitales de liaison intrinsèque lors d’attaques nucléophiles ou de réarrangements de Claisen correspondent directement à ce qui est indiqué par les flèches bouclées. Et trois ans plus tard, une équipe dirigée par Timothy Schmidt de l’UNSW Sydney en Australie a montré pour la première fois que les fonctions d’onde calculées ab initio dans les substitutions, les additions et les réactions de Diels-Alder se déplacent exactement comme le suggèrent les flèches bouclées.

Remerciements : Merci à Kristy Turner pour des discussions utiles.